CN113188701A - 一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，检测机构包括：用于执行微夹持操作的3个相同的夹持支链，用于输入微位移的压电陶瓷堆，用于驱动压电陶瓷堆的压电驱动器，用于接受夹持支链悬臂梁形变信号的应变片，用于数据传输的传输电路和数据处理器，用于控制压电驱动器输入电压值的控制器，用于安装夹持支链的固定圆盘。当微夹持器在进行夹持操作时，夹持支链悬臂梁发生形变，粘贴在其上的应变片接受相关形变信号，通过传输电路传输到数据处理器进行处理，从而实现夹持力的检测；控制器能够控制夹持力的大小，从而避免在进行微操作时微夹持器对夹持对象造成破坏。本发明的夹持力检测机构及方法结构简单、成本低、效率高。

Description

一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法

技术领域

本发明属于精密制造领域，尤其是涉及一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法。

背景技术

随着生物工程技术、微机电系统技术、微/纳技术及光学工程等领域的研究对象正朝着微细化方向发展，微夹持器作为对微小物体进行操作过程的末端执行器，在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学等领域均有较好的应用前景。

在微操作过程中，不仅需要完成对微小尺寸器件的夹持、搬运、装配等操作，而且在整个微操作过程中还要避免微夹持器对微小器件造成破坏，所以要求在微操作过程中实现夹持力的实时检测。由于物体尺寸较小，为便于夹持，微夹持器本身的尺寸不能太大，因此在得不到接触力信息反馈的操作过程中，很难实现无损伤操作，针对这些问题，本发明提出了一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，该夹持力检测机构结构简单、成本低、效率高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，该夹持力检测机构结构简单、成本低、效率高，在微夹持操作过程中可通过测量夹持力来避免微操作对象的意外损坏，而且在夹持物体时可以通过测量各个夹持支链的夹持力来感知其在装配中应有的走向，从而实施准确装配。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构，包括第一夹持支链11、第二夹持支链12、第三夹持支链13、压电驱动器5、传输电路6、数据处理器7、控制器8、第一应变片1-6、第二应变片1-7、压电陶瓷堆1-8以及固定圆盘4所组成。

所述第一夹持支链11、第二夹持支链12和第三夹持支链13的结构相同，以第一夹持支链11为例，包括：正圆形柔性铰链1-1、悬臂梁1-2、夹持臂1-3、位移输入端1-4和固定端1-5，所述悬臂梁1-2既是应变片粘贴位置也是夹持动作的执行元件，其内外粘贴了第一应变片1-6和第二应变片1-7，根据其形变情况来检测第一夹持支链11的夹持力F₁。

所述第一应变片1-6和第二应变片1-7通过传输电路6与数据处理器7电性连接，将应变片测到的悬臂梁的应变值通过数据处理器7的内置电桥进行数据处理，从而输出相应的电压值，然后再用输出的相应的电压值来表示其夹持支链的夹持力。

所述压电陶瓷堆1-8与压电驱动器5电性连接，并分别安装在第一夹持支链11、第二夹持支链12、与第三夹持支链13的位移输入端1-4上，用于输入微位移，驱动空间微夹持器进行夹持动作。

所述压电驱动器5、数据处理器7和控制器8电性连接，控制器8控制压电驱动器5的输入电压值，从而控制夹持支链的夹持力。

所述固定圆盘4上开有第一矩形槽4-1、第二矩形槽4-2、第三矩形槽4-3和3个相同的固定孔4-4，所述固定孔4-4用于固定，所述第一矩形槽4-1、第二矩形槽4-2和第三矩形槽4-3内部分别对应安装了第一微型滑轨4-11、第二微型滑轨4-12和第三微型滑轨4-13，所述第一夹持支链11、第二夹持支链12和第三夹持支链13的固定端1-5分别安装在第一微型滑轨4-11、第二微型滑轨4-12和第三微型滑轨4-13的上端，使第一夹持支链11、第二夹持支链12和第三夹持支链13可以在滑轨上滑动，从而实现空间微夹持器张合量的调节。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，夹持支链的悬臂梁既是应变片的粘贴位置，也是夹持动作的执行元件，这使得悬臂梁的应变能够更好地反应夹持支链的夹持力；

2、本发明提供一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，3个夹持支链在固定圆盘上360°均匀分布，能够使微夹持对象受力均匀，保持夹持操作的稳定性；

3、本发明提供一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，在微夹持操作过程中可通过测量夹持力的大小并进行控制，来避免微操作对象的意外损坏，而且微操作对象可以通过测量各个夹持支链的力来感知其在装配中应有的走向，从而实施准确装配；

4、本发明提供一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构及其使用方法，该夹持力检测机构结构简单、成本低、效率高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的第一夹持支链的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的固定圆盘的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的夹持力检测机构整体装配结构示意图。

图中，1-1、正圆形柔性铰链；1-2、悬臂梁；1-3、夹持臂；1-4、位移输入端；1-5、固定端；1-6、第一应变片；1-7、第二应变片；1-8、压电陶瓷堆；4、固定圆盘；4-1、第一矩形槽；4-2、第二矩形槽；4-3、第三矩形槽；4-4、固定孔；4-11、第一微型滑轨；4-12、第二微型滑轨；4-13、第三微型滑轨；5、压电驱动器；6、传输电路；7、数据处理器；8、控制器；11、第一夹持支链；12、第二夹持支链；13、第三夹持支链。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1-图3所示，一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构，包括第一夹持支链11、第二夹持支链12、第三夹持支链13、压电驱动器5、传输电路6、数据处理器7、控制器8、第一应变片1-6、第二应变片1-7、压电陶瓷堆1-8以及固定圆盘4所组成。

所述悬臂梁1-2其内外粘贴了第一应变片1-6和第二应变片1-7；所述第一应变片1-6和第二应变片1-7通过传输电路6与数据处理器7电性连接。

所述压电陶瓷堆1-8与压电驱动器5电性连接，并分别安装在第一夹持支链11、第二夹持支链12与第三夹持支链13的位移输入端1-4上。

所述压电驱动器5、数据处理器7和控制器8电性连接，控制器8用于控制压电驱动器5的输入电压值。

所述固定圆盘4上开有第一矩形槽4-1、第二矩形槽4-2、第三矩形槽4-3和3个相同的固定孔4-4，所述固定孔4-4用于固定，所述第一矩形槽4-1、第二矩形槽4-2和第三矩形槽4-3内部分别对应安装了第一微型滑轨4-11、第二微型滑轨4-12和第三微型滑轨4-13，所述第一夹持支链11、第二夹持支链12和第三夹持支链13的固定端1-5分别安装在第一微型滑轨4-11、第二微型滑轨4-12和第三微型滑轨4-13的上端，使第一夹持支链11、第二夹持支链12和第三夹持支链13可以在滑轨上滑动，从而实现空间微夹持器张合量的调节。

另一方面，本发明提供一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构的使用方法，具体为：

对于第一夹持支链11，包括：

步骤一、检测计算过程如下：如图1所示，压电驱动器5驱动压电陶瓷堆1-8输出Δx微位移，由于压电陶瓷堆1-8安装在第一夹持支链11的位移输入端1-4，从而推动第一夹持支链11中的正圆形柔性铰链1-1产生弹性角位移，使悬臂梁1-2发生偏转产生形变，通过粘贴在悬臂梁1-2内外的第一应变片1-6和第二应变片1-7、传输电路6和数据处理器7的内置电桥可得出相应输出电压U ₁，此时，夹持臂1-3端部产生Δy微位移，第一夹持支链11完成夹持动作，此时第一夹持支链11的夹持力为F₁，可表示为F₁=K ₁ U ₁，式中K ₁为标定系数，可通过标定实验得出；

步骤二、控制过程如下：如果第一夹持支链11的夹持力F₁小于内置运算系统的阈值F₀，控制器8增大压电驱动器5的输入电压，继续驱动压电陶瓷堆1-8输出微位移，使悬臂梁1-2继续发生偏转产生形变，从而增大第一夹持支链11的夹持力F₁，直到F₁=F₀，这时既能保持操作对象的夹持稳定性，又能保护夹持对象不会因为夹持力F₁过大而遭到破坏；如果第一夹持支链11的夹持力F₁大于内置运算系统的阈值F₀，控制器8则减小压电驱动器5的输入电压，驱动压电陶瓷堆1-8减小输出微位移，使悬臂梁1-2减小偏转，从而减小第一夹持支链11的夹持力F₁，直到F₁=F₀。

对于第二夹持支链12，包括：

步骤一、检测计算过程如下：压电驱动器5驱动压电陶瓷堆1-8输出Δx微位移，从而推动第二夹持支链12中的正圆形柔性铰链1-1产生弹性角位移，使悬臂梁1-2发生偏转产生形变，通过粘贴在悬臂梁1-2内外的第一应变片1-6和第二应变片1-7、传输电路6和数据处理器7的内置电桥可得出相应输出电压U ₂，此时，夹持臂1-3端部产生Δy微位移，第二夹持支链12完成夹持动作，此时第二夹持支链12的夹持力为F₂，可表示为F₂=K ₂ U ₂，式中K ₂为标定系数，可通过标定实验得出；

步骤二、控制过程如下：如果第二夹持支链12的夹持力F₂小于内置运算系统的阈值F₀，控制器8增大压电驱动器5的输入电压，继续驱动压电陶瓷堆1-8输出微位移，使悬臂梁1-2继续发生偏转产生形变，从而增大第二夹持支链12的夹持力F₂，直到F₂=F₀，这时既能保持操作对象的夹持稳定性，又能保护夹持对象不会因为夹持力F₂过大而遭到破坏；如果第二夹持支链12的夹持力F₂大于内置运算系统的阈值F₀，控制器8则减小压电驱动器5的输入电压，驱动压电陶瓷堆1-8减小输出微位移，使悬臂梁1-2减小偏转，从而减小第二夹持支链12的夹持力F₂，直到F₂=F₀。

对于第三夹持支链13，包括：

步骤一、检测计算过程如下：压电驱动器5驱动压电陶瓷堆1-8输出Δx微位移，从而推动第三夹持支链13中的正圆形柔性铰链1-1产生弹性角位移，使悬臂梁1-2发生偏转产生形变，通过粘贴在悬臂梁1-2内外的第一应变片1-6和第二应变片1-7、传输电路6和数据处理器7的内置电桥可得出相应输出电压U ₃，此时，夹持臂1-3端部产生Δy微位移，第三夹持支链13完成夹持动作，此时第三夹持支链13的夹持力为F₃，可表示为F₃=K ₃ U ₃，式中K ₃为标定系数，可通过标定实验得出；

步骤二、控制过程如下：如果第三夹持支链13的夹持力F₃小于内置运算系统的阈值F₀，控制器8增大压电驱动器5的输入电压，继续驱动压电陶瓷堆1-8输出微位移，使悬臂梁1-2继续发生偏转产生形变，从而增大第三夹持支链13的夹持力F₃，直到F₃=F₀，这时既能保持操作对象的夹持稳定性，又能保护夹持对象不会因为夹持力F₃过大而遭到破坏；如果第三夹持支链13的夹持力F₃大于内置运算系统的阈值F₀，控制器8则减小压电驱动器5的输入电压，驱动压电陶瓷堆1-8减小输出微位移，使悬臂梁1-2减小偏转，从而减小第三夹持支链13的夹持力F₃，直到F₃=F₀。

综上所述，该空间微夹持器的夹持力F写成矩阵形式为:

其中：K为标定矩阵，可以通过试验得到。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构，其特征在于，包括：3个相同的夹持支链、3个相同的压电陶瓷堆、压电驱动器、应变片、传输电路、数据处理器、控制器和固定圆盘；

所述夹持支链包括：1个正圆形柔性铰链、悬臂梁、夹持臂、位移输入端和固定端，所述悬臂梁是应变片粘贴位置，应变片用于检测夹持力；所述应变片通过传输电路与数据处理器电性连接；所述压电陶瓷堆与压电驱动器电性连接，并安装在夹持支链位移输入端；所述压电驱动器、数据处理器和控制器电性连接；

所述固定圆盘上有3个矩形槽和3个固定孔，3个所述矩形槽内分别装有3个微型滑轨，3个所述夹持支链的固定端分别安装在3个微型滑轨的上端，使3个夹持支链可以在滑轨上滑动，从而实现空间微夹持器张合量的调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构，其特征在于，3个所述夹持支链的悬臂梁内外各贴有1片应变片，悬臂梁既是应变片的粘贴位置，也是夹持动作的执行元件。

3.根据权利要求2所述的一种基于空间微夹持器的夹持力检测机构，其特征在于，3个所述夹持支链的固定端分别安装在3个微型滑轨的上端且在固定圆盘上360°均匀分布，可以使微夹持对象受力均匀，保持夹持操作的稳定性。

4.一种使用权利要求3所述基于空间微夹持器的夹持力检测机构的使用方法，其特征在于：

检测过程为：压电驱动器驱动压电陶瓷堆输出Δx微位移，从而推动第一、第二和第三夹持支链中的正圆形柔性铰链产生弹性角位移，使第一、第二和第三夹持支链的悬臂梁发生偏转产生形变，通过粘贴在第一、第二和第三夹持支链的悬臂梁内外的应变片、传输电路和数据处理器的内置电桥可得出相应输出电压分别为U ₁、U ₂和U ₃，第一、第二和第三夹持支链的夹持臂端部产生Δy微位移，第一、第二和第三夹持支链完成夹持动作，此时第一、第二和第三夹持支链的夹持力分别为F₁、F₂和F₃，可得出F₁=K ₁ U ₁、F₂=K ₂ U ₂和F₃=K ₃ U ₃，式中K ₁、K ₂和K ₃为标定系数，可通过标定实验得出；

控制过程为：如果夹持支链的夹持力小于内置运算系统的阈值F₀，控制器则增大压电驱动器的输入电压，继续驱动压电陶瓷堆输出微位移，使夹持支链的悬臂梁继续发生偏转产生形变，从而增大夹持支链的夹持力，直到等于F₀，这时既能保持操作对象的夹持稳定性，又能保护夹持对象不会因为夹持力过大而遭到破坏；如果夹持支链的夹持力大于内置运算系统的阈值F₀，控制器则减小压电驱动器的输入电压，驱动压电陶瓷堆减小输出微位移，使夹持支链的悬臂梁减小偏转，从而减小夹持支链的夹持力，直到等于F₀。

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